Soutenance mémoire
Environnements virtuels pour l’apprentissage
Nous aborderons ici la définition et quelques avantages des environnements virtuels pour l’apprentissage.
La réalité virtuelle est la technologie qui fournit des expériences presque réels et/ou crédibles de façon virtuelle ou synthétique. Elle utilise le spectre entier des technologies multimédia actuelles, telles que l’image, la vidéo, le son et le texte, également des nouvelles tendances telles que les stimulus tactiles, visuels et auditifs [Fur08]. « La finalité de la réalité virtuelle est de permettre à une personne (ou à plusieurs) une activité sensori-motrice et cognitive dans un monde artificiel, créé numériquement, qui peut être imaginaire, symbolique ou une simulation de certains aspects du monde réel. » [FM06].
Les compétences qui peuvent être améliorées au niveau de l’apprentissage avec la réalité virtuelle sont : les habilités motrices, les habilités pour la prise de décisions, la communication et les aptitudes opérationnelles. Comme exemple d’applications qui utilisent la réalité virtuelle pour la formation nous citons VirTeaSy [CPS+ 10], un outil de formation à l’implantologie chez les chirurgiens dentistes illustré dans la Figure 1.1 et SécuRéVi [Que02], un environnement virtuel de formation pour la sécurité civile illustré dans la Figure 1.2.
Un EVAH (Environnement Virtuel pour l’Apprentissage Humain) est un espace virtuel dans lequel un ou plusieurs apprenants sont immergés dans le but d’acquérir du savoir ou du savoir faire. Il est définit comme « un environnement informatique conçu dans le but de favoriser l’apprentissage humain, c’est-à-dire la construction de connaissances chez un apprenant. Ce type d’apprentissage mobilise des agents humains [. . . ] et artificiels [. . . ] et leur offre des situations d’interaction [. . . ] ainsi que des conditions d’accès à des ressources formatives. » [TBB+04]. Contrairement à la méthode d’apprentissage traditionnelle (immersion dans un environnement réel), cette méthode offre plusieurs avantages pour atteindre les objectives pédagogiques.
Les avantages de la formation, via la réalité virtuelle ([FM06]) sont :
– Elle élimine le danger, en rendant possible l’exécution de tâches dangereuses sans prendre de risque physique, même si certaines erreurs sont commises ;
– Elle offre plus de probabilités d’apprentissage, car elle rend possible la modélisation des environnements inaccessibles ou inexistants, comme la simulation des conditions difficiles ou de stress ;
– Elle est économique et flexible, puisque l’espace occupé est minimum et la reconfiguration du système autorise son utilisation pour d’autres thèmes d’apprentissage ;
– Elle est adaptative, parce que l’enseignant a la facilité de suivre plusieurs apprenants en simultanée dans plusieurs entraînements en sauvegardant les données qui représentent le comportement des élèves ;
– L’enseignant peut faire évoluer l’environnement selon les capacités de l’apprenant et limiter à des fins pédagogiques les actions de l’apprenant ;
– Elle est pédagogique parce que l’enseignant peut manipuler l’environnent, percevoir le niveau de connaissance des élèves, changer les situations, insister sur des situations qui ont posée des problèmes et interagir avec l’élève pour améliorer la qualité des résultats.
Les scénarios pédagogiques que nous voulons développer, doivent refléter les propriétés et comportements du système réel. Ces propriétés sont consignées dans les outils de PLM que nous présentons maintenant.
PLM (Product Lifecycle Management)
Le but principal du PLM est d’atteindre un équilibre entre le coût global, la performance et la disponibilité opérationnelle. Le PLM permet de diminuer le temps de développement, améliore la flexibilité et la qualité des produits, augmente la productivité, améliore l’utilisation des ressources et réduit les coûts de développement. Le PLM prend en compte les métriques, les personnes, la structure de l’organisation, les méthodes, le matériel, les applications, les données, les processus et les produits ; au cours de la conception, de la définition, de la réalisation du support et de la destruction ou récupération du produit [Sta11]. Le PLM fixe son attention sur le produit, car le produit c’est le cœur de l’entreprise. Tous les éléments externes doivent contribuer à l’amélioration du produit (voir Figure 1.3).
Parmi les applications qui aident à gérer les produits, nous pouvons citer les applications CAO (Conception Assisté par Ordinateur) (Figure 1.4) qui sont utilisées pour « traduire une exigence ou un concept dans un design » [Sta11]. Ce type d’application sert spécialement à générer un modèle 3D. Il existe aussi d’autre type d’outils pour définir le fonctionnement du système (Figure 1.5).
Nous voulons profiter du PLM pour fournir un environnement virtuel qui soit complet et qui représente de manière correcte le système du monde réel. Nous proposons une alternative qui consiste à prendre les données directement à partir des outils de PLM et transformer ces données pour générer automatiquement la représentation virtuelle, non seulement qu’un point de vue géométrique mais également fonctionnel. Cette procédure permettra de mettre à jour les produits dans l’environnement de simulation sans avoir besoin de refaire toute la scène après chaque changement à niveau des propriétés du produit.
Ayant fait une présentation des points de départ et d’arrivée de notre problème, nous allons continuer avec un aperçu de MASCARET, le méta-modèle qui servira pour simuler l’environnement de réalité virtuelle pour l’apprentissage avec en entrée le PLM.
MASCARET (Multi-agent System for Collaborative And Realistic Environment for Training)
Le développement des applications se fait fréquemment sans la réutilisation des composants déjà existantes. Cet aspect dépense une grande quantité de temps. Il est nécessaire d’avoir un niveau d’abstraction accessible et compréhensible pour les personnes qui ne sont pas expertes dans le domaine. L’intérêt est d’avoir un modèle qui soit suffisamment générique pour être capables de traiter des problèmes de n’importe quel domaine et de produire l’environnement de formation adapté aux besoins des utilisateurs. Le niveau d’abstraction dont on parle est la méta-modélisation.
Le rôle de la modélisation [KH06] est d’offrir une représentation du problème et des solutions possibles à différents niveaux d’abstraction. Ces solutions doivent servir comme soutien pour appréhender, conceptualiser, concevoir, estimer, simuler, valider et justifier les choix. Les tâches principales de la méta-modélisation sont la conception de nouveaux modèles, l’adaptation de modèles existants et l’intégration d’éléments hétérogènes. « MASCARET est un méta-modèle permettant de décrire l’environnement virtuel, non pas en tant qu’espace géométrique (tel qu’un graphe de scène) mais en fournissant une sémantique permettant à des agents artificiels ou humains de manipuler une représentation commune de l’environnement et d’y interagir conjointement pour atteindre leurs buts » [MQC]. Il décrit sous la forme de plans ce que l’apprenant peut ou doit faire, en plus il associe cette information avec une session d’apprentissage dans laquelle les propriétés des objets du monde virtuel sont inclus. Il fournit des modèles et des comportements d’agents spécifiques liés à la pédagogie.
MASCARET est une extension d’UML
Ceci lui permet de s’appuyer sur des outils de modélisation et de se servir des nombreux travaux existants sur les transformations de modèles. MASCARET introduit les concepts liés à l’environnement virtuel (entités, propriétés, comportements, etc.), à l’organisation sociale (rôle, équipe, actions, procédure, etc.) et à l’activité humaine dans l’environnement (actions primitives humaines). Une des caractéristiques de MASCARET, est que l’environnement, les agents et les activités sont modélises utilisant le même langage. MASCARET permet la création de modèles métiers décrivant des instanciations de ces concepts, qui peuvent ainsi être utilisés par le formateur pour écrire son scénario pédagogique.
Ce méta-modèle permet la communication bidirectionnelle entre une situation réel d’apprentissage et l’environnement virtuel de formation. Pour établir ce canaux de communication, le scénario pédagogique doit pouvoir faire référence aux concepts qui sont utilisés dans le monde virtuel. D’où l’importance de bien définir tous les concepts dans le domaine spécifique de l’application.
Modélisation du système
Connaissant le problème et le contexte du projet, nous essaierons d’illustrer la démarche que nous proposons pour récupérer les données dont MASCARET a besoin pour créer les environnements virtuels pour la formation. « Le principe est de s’assurer que l’ensemble des données nécessaires à la pédagogie peuvent être exprimées par le modélisateur métier à l’aide des outils de PLM et SLI en amont, c’est-à-dire lors de la conception de celui-ci. En effet, cela permettra d’éviter de devoir renseigner ce modèle plus tard lors de son utilisation en pédagogie. » [Tra08]. On cherche à maximiser la généricité, la simplification et la signification des données. On veut réduire le temps et les coûts associés à la création des scénarios pédagogiques en remplissant les contraintes opérationnelles et de productivité, les contraintes de formation pédagogique et les contraintes d’assistance en la formation.
« Il faut définir formellement comment ces données peuvent s’exprimer dans le métamodèle afin d’assurer suffisamment de généricité pour aborder les différents modèles métiers. Nous proposons alors d’exprimer ces connaissances à l’aide de MASCARET et de l’extension dont il fait l’objet ici grâce à SysML. SysML est un profil spécifique d’UML pour la description de systèmes ce qui correspond à notre objet d’étude » [Tra08]. SysML [Roq09] est un langage de modélisation commun pour les ingénieurs de systèmes. Il est conçu pour modéliser les systèmes complexes, il se base sur UML2, mais offre en plus la possibilité d’exprimer d’autres aspects du système via la modélisation des exigences, la modélisation structurelle, la modélisation dynamique (diagramme d’états pour représenter le cycle de vie des éléments) et la modélisation des équations.
D’abord, nous analyserons les différentes possibilités pour réaliser la récupération des données liées à la modélisation du domaine. En un deuxième temps, nous chercherons des alternatives pour représenter la partie graphique. Pour ces deux aspects, nous choisirons une alternative parmi les différentes possibilités.
Modélisation du domaine
Quand on parle du domaine, on fait référence aux entités qui forment le monde réel.
Ces entités ont des caractéristiques qui les définissent, mais elles ont aussi des comportements.
Nous décrirons ici quelques standards, normes et protocoles existants qui facilitent la transformation de données à partir des outils de PLM. En premier lieu, nous parlerons de ceux qui sont liées aux attributs. Dans la deuxième sous-section, nous nous concentrerons sur ceux qui sont liés aux comportements.
Les entités
En général les langages, les concepts et le vocabulaire utilisés dans le PLM sont internes à l’entreprise, cet aspect empêche d’autres systèmes et parties prenantes de participer à l’enrichissement du produit et de sa gestion. Il devient important d’avoir des standards, des langages et des technologies plus globales et compréhensibles. Par l’exemple, STEP, XML et UML. Nous étudierons également deux standards et un langage pour manipuler les données du PLM.
STEP (STandard for the Exchanging Product data)
STEP est un des standards écrits par l’ISO [ISO], il est aussi connu comme ISO103-03 [RVLW04], ce standard définit une méthodologie pour décrire un produit durant tout le cycle de vie et rendre possible l’échange de données entre les systèmes qui interviennent pendant la durée de vie du produit. STEP utilise les systèmes CAE (Computer Aided Engineering Analysis), CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing) et CNC (Computerized Numerical Control). Les objets à représenter et à échanger utilisant STEP sont définis en EXPRESS, un langage dont on parlera dans la suite.
Langage EXPRESS
La formalisation d’EXPRESS est présentée dans l’ISO10303-11 (Description methods : The EXPRESS language reference manual) [fA12]. EXPRESS est un langage informatique utile pour définir les données formellement et sans ambiguïté, EXPRESS aide à définir les entités, les relations et la cardinalité des relations. L’écriture d’un modèle EXPRESS peut être faite sur une forme textuelle ou graphique (EXPRESS-G).
PLCS (ISO10303-239)
Le PLCS (Product Life Cycle Support) [CUB12] est un standard international des spécifications d’un modèle d’information adaptable aux différents secteurs de l’entreprise. Ce modèle flexible définit quelle information peut être échangée (à l’intérieur de l’entreprise et avec les clients) et représentée pour soutenir un produit pendant toute la durée de sa vie. Le PLCS assure la consistance, la maintenance et l’interchangeabilité des données entre les systèmes d’information durant l’ingénierie des systèmes, et les phases d’intégration et mise en service. La définition du modèle est fournie en utilisant le langage EXPRESS.
Le PLCS est supporté par OASIS (Organisation for the Advancement os Structures Information Standards). OASIS développe et publie les DEX (Data EXchange specifications) et des protocoles de transfert de données. Comme protocole de transfert, PLCS utilise l’ISO10303-28 (Implementation methods : XML representations of EXPRESS
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Table des matières
Introduction
1 Environnement et problématique
1.1 Environnements virtuels pour l’apprentissage
1.2 PLM (Product Lifecycle Management)
1.3 MASCARET (Multi-agent System for Collaborative And Realistic Environment for Training)
2 Modélisation du système
2.1 Modélisation du domaine
2.1.1 Les entités
2.1.1.1 STEP (STandard for the Exchanging Product data)
2.1.1.2 Langage EXPRESS
2.1.1.3 Mapping de EXPRESS à XMI (ISO10303-25)
2.1.1.4 PLCS (ISO10303-239)
2.1.2 Les comportements
2.1.2.1 La Norme IEC61130-3
2.1.2.2 Le PLCopen
2.2 Synthèse
3 Implémentation
3.1 Domaine
3.1.1 Transformation de Catia vers XMI
3.1.2 Transformation de SFC vers XMI
3.1.3 Intégration des résultats
3.2 Modélisation graphique 3D
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